實(shí)驗(yàn)四 差分放大器

1、實(shí)驗(yàn)四 差分放大器 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握差分放大器偏置電路的分析和設(shè)計(jì)方法；2. 掌握差分放大器差模增益和共模增益特性，熟悉共模抑制概念；3. 掌握差分放大器差模傳輸特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)圖 4-1 所示電路，計(jì)算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓 V BE(on) =0.55,=500，|V A |=150 V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流 I CQ ，節(jié)點(diǎn) 1 和 2 的直流電壓 V 1 、V 2 ，晶體管跨導(dǎo) g m ， 差模輸入阻抗 R id ， 差模電壓增益 A vd ， 共模電壓增益 A vc 和共模抑制比 K CMR ，請(qǐng)寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，并完成表 4-1。表4

2、-1ICQ(mA)V1(v)V2(v)gm(ms)Rid(k)AvdAvcKcmR1.0052.9882.98838.725.84-76.38-1.9519.58二、仿真實(shí)驗(yàn)1. 在 Multisim 中設(shè)計(jì)差分放大器， 電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖 4-1 所示， 進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析 （DC分析） ，得到電路的工作點(diǎn)電流和電壓，完成表 4-2，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。表 4-2：ICQ(mA)V1(v)V2(v)V3(v)V5(v)V6(v)10012.99752.99751.003411.576511.55492仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置需要輸

3、出的電壓或者電流。2. 在圖 4-1 所示電路中，固定輸入信號(hào)頻率為 2kHz，輸入不同信號(hào)幅度時(shí)，測(cè)量電路的差模增益。采用 Agilent 示波器（Agilent Oscilloscope）觀察輸出波形，測(cè)量輸出電壓的峰峰值（peak-peak） ，通過(guò)“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計(jì)算差模增益 Avd ，用頻譜儀器觀測(cè)節(jié)點(diǎn) 1 的基波功率和諧波功率，并完成表 4-3。表 4-3：輸入信號(hào)單端幅度（mV)11020輸出電壓峰峰值（V）0.2922.815Avd-73-70.25-62.5基波功率P1(dBm)-43.748-27.431-23.044二次諧波功率P2(dBm)-1

4、01.085-65.519-55.165三次諧波功率P3(dBm)-104.837-47.795-31.841仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Multisim 控制界面上選擇運(yùn)行。在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式顯示，即用 1 通道信號(hào)減 2 通道信號(hào)，設(shè)置見(jiàn)圖 4-2。顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的示波器顯示參數(shù)，見(jiàn)圖 4-3，采用圖中所示顯示調(diào)節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié) Scale 和 Offset。 輸入信號(hào)單端幅度 1 mV 時(shí)的輸出波形：輸入信號(hào)單端幅度 10 mV 時(shí)的輸出波形：輸入信號(hào)單端幅度 20 mV 時(shí)的輸出波形：思考： 表 4-3 中的 A

5、vd 在不同輸入信號(hào)幅度的時(shí)候一樣嗎？若不一樣，請(qǐng)解釋原因？不一樣，可能是因?yàn)?。?dāng) V ID 足夠小時(shí)，在原點(diǎn)附近 V ID 的很小變化范圍內(nèi)差模傳輸特性曲線可以看作是一段直線，直線的斜率為 g m ,但是事實(shí)上并不是一條直線，則g m =的值也隨著 V ID 的不同而略有變化。并且差模電壓增益為 A vd =-g m R c ，g m 的不同會(huì)造成 A vd 的偏差。此外，當(dāng)信號(hào)幅度增大時(shí)，對(duì)直流工作點(diǎn)有影響，增益不同，而且信號(hào)幅度越大，失真越嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的高頻諧波。3. 在圖 4-1 所示電路中，將輸入信號(hào) V2 的信號(hào)幅度設(shè)置為 10mV(Vpk，單端信號(hào)幅度)，頻率為 10kHz，輸

6、入信號(hào) V3 的信號(hào)幅度設(shè)置為 0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)幅度。若輸出信號(hào) V1和 V2 的幅度不一致，請(qǐng)解釋原因，并寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算和分析過(guò)程，計(jì)算過(guò)程可以直接采用表 4-1 中的性能參數(shù)。實(shí)際測(cè)得輸出電壓峰峰值為741.51mv 和 703.31mv，稍有不同。原因可能是，測(cè)量單端輸出電壓時(shí)需要考慮共模的增益,而雙端輸出時(shí),不需要考慮共模的增益,而共模增益帶來(lái)了幅度的略微差別。將輸入信號(hào)分解為差模和共模信號(hào)之后，因?yàn)椴钅Ｐ盘?hào)對(duì)于兩邊是大小相等方向相反的，而且差模增益比較大，所以決定了主要的輸出信號(hào)的波形，即峰峰值大小相近，相位差180 度，而共模信號(hào)雖然是大小相等方向相同，但因?yàn)楣材Ｔ鲆姹容^小，

7、所以對(duì)輸出的波形影響比較小，形成了兩信號(hào)的略微幅度上的略微的不一致。仿真得：vo1=0.7033V, vo2=0.7415V，相位相差180計(jì)算分析：vi2=0.02V, vi1=0，Vid=0.02V,Vic=0.01V所以Vo2=vid/2*Avd+vic*Avc= -0.7638V-0.0195V= -0.7833VVo1= -vid/2*Avd+vic*Avc=0.7638V-0.0195V=-0.7443V計(jì)算誤差約0.04V，與仿真結(jié)果基本一致。仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Multisim 控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò) Agilent 示波器測(cè)量輸出波形幅度。4.

8、 在圖 4-1 所示電路中，將輸入信號(hào) V2 和 V3 設(shè)置成共模輸入信號(hào)信號(hào)頻率 10kHz，信號(hào)幅度 10mV，相位都為 0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)的幅度，計(jì)算電路的共模增益，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。計(jì)算值由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分可知為：Avc-1.95，由以上仿真值可得 Avc=-1.96思考：若需要在保證差模增益不變的前提下提高電路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？請(qǐng)給出電路圖，并通過(guò)仿真得到電路的共模增益和差模增益。差模增益 A vd =230.75 ，共模增益 A vc =4.208 共模抑制比為：K CMR =27418.01。仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Mul

9、tisim 控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò) Agilent 示波器測(cè)量輸出波形幅度。5. 采用圖 4-4 所示電路對(duì)輸入直流電壓源 V2 進(jìn)行 DC 掃描仿真， 得到電路的差模傳輸特性。 電壓掃描范圍 1.35V1.75V，掃描步進(jìn) 1mV，得到電阻 R2 和 R3 中電流差隨 V2 電壓的變化曲線，即輸出電流的差模傳輸特性，并在差模輸出電流的線性區(qū)中點(diǎn)附近測(cè)量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照（V BE(on) =0.55, =500） ；計(jì)算圖示曲線斜率得，g m =37.1665mS計(jì)算得：計(jì)算：IBQ=(1.55V - 0.55V)/（1000*501）=1.996uA，ICQ=

10、500*IBQ=0.998mA gm =38.5* ICQ =38.4mS計(jì)算值與仿真值大致相似。若將V3電壓改為1V，再掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1.2V，掃描步進(jìn)1mV，與中一樣，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線性區(qū)測(cè)量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。仿真得：gm=17.6335mS計(jì)算得：IBQ=(1V-0.55V)/(1k*501）=0.898uA，ICQ=500*IBQ=0.449mA gm=38.5*ICQ=17.29mS計(jì)算值與仿真值類似。若將圖4-4中的電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-5所示。與中一樣，固定V3電壓為1V，掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1

11、.2V，掃描步進(jìn)1mV，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，并與中仿真結(jié)果對(duì)照，指出二者結(jié)果的異同并給出解釋。gm=37.2754mS分析：中的跨導(dǎo)大于中的跨導(dǎo)。原因：中使用電流源，ICQ約等于1mA, 大于中的ICQ，因此跨導(dǎo)也大于中的。思考：a.在仿真任務(wù)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V5V，測(cè)量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實(shí)驗(yàn)中給出的MAT02EH內(nèi)部電路，給出解釋。硬件實(shí)驗(yàn)中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流過(guò)大，可能導(dǎo)致晶體管損壞，如何避免這種誤操作導(dǎo)致的基極電流過(guò)大？答：不一致，因?yàn)榛鶚O電壓過(guò)大,導(dǎo)致MAT02EH中的BE兩點(diǎn)之間

12、的二極管被擊穿，基極電流從而不斷變大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在接入差分對(duì)管之前，先測(cè)定基極的電壓強(qiáng)度，若明顯過(guò)大則調(diào)整至合適的電壓時(shí)再接入差分對(duì)管。b.比較仿真任務(wù)和，差模輸出電流隨V2的變化趨勢(shì)一樣嗎？若有差異，原因是什么？答：變化趨勢(shì)一樣，但斜率不同。因?yàn)樵O(shè)置的基極電壓工作點(diǎn)不同，導(dǎo)致直流工作點(diǎn)的電流不同，一個(gè)為1mA，一個(gè)為0.5mA，使得輸出電流的大小有很大的差別。仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進(jìn)，需要輸出的電壓或者電流。差模電流通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得到，設(shè)置界面見(jiàn)圖 4-6。在仿真結(jié)果中通過(guò)標(biāo)尺完成測(cè)量， 設(shè)置如下：

13、Grapher view Cursor Show Cursor， 然后拖動(dòng)標(biāo)尺測(cè)量。二、硬件實(shí)驗(yàn)1.按照?qǐng)D4-1所示的電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行測(cè)試和分析。直流工作點(diǎn)V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)3.123.090.951.571.54思考：若直流電壓V1和V2不一樣，可能是什么原因?如何調(diào)整電路可以使得輸出直流電壓V1和V2更加一致？答：原因可能是MAT02EH管并非完全對(duì)稱的，電路搭設(shè)時(shí)兩邊所使用導(dǎo)線排布也非完全對(duì)稱的?？梢栽陔妷旱偷牡胤郊右粋€(gè)補(bǔ)償電壓，或者增大電壓高的地方的電阻，降低其電壓?；蛘咴陔娐分薪尤肟勺冸娮柽M(jìn)行調(diào)節(jié)，直到把直流電壓V1和V2調(diào)成一致。 采用

14、信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生差分信號(hào)（單端振幅10mV，頻率2kHz），通過(guò)示波器同時(shí)觀測(cè)兩路輸出波形。計(jì)算差模增益Avd。Avd -3.36V/ 40mV= -83.9仿真值與計(jì)算值有一些誤差將兩路輸入信號(hào)改為相同的信號(hào)，頻率2kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號(hào)的波形并提交截圖。2.差模傳輸特性按照?qǐng)D4-9所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并測(cè)試差模傳輸特性。圖中R7為010k可變電阻。V1采用Pocket LAB 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1.6V直流電壓。R4=R5=1k,手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點(diǎn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)8電壓，節(jié)點(diǎn)4及節(jié)點(diǎn)7的電壓差（通過(guò)該電壓差計(jì)算差模電流），在1.6V附近步長(zhǎng)可以取小一點(diǎn)，提高測(cè)量精度，過(guò)了限幅區(qū)步長(zhǎng)可以增加。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn)8電壓為X軸，差模輸出電流為Y軸，得到電路的差模傳輸特性，并在差模輸出電流0附近測(cè)量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。曲線：跨導(dǎo)：gm=(0.67-(-0.425)/(1.62-1.56)=18.25msR4=R5=20k,重復(fù)中的測(cè)量，并得到差模傳輸特性及其斜率。根據(jù)和的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析串聯(lián)電阻對(duì)差模傳輸特性的影響，并給